Zerkalnye_antenna_project

1.

УЧЕБНЫЙ ПРОЕКТ
ЗЕРКАЛЬНЫЕ
АНТЕННЫ
Параболические системы СВЧ:
от фокуса до диаграммы направленности
ГЕОМЕТРИЯ
·
РАСКРЫВ
·
ОБЛУЧАТЕЛЬ
Выполнил(а): ____________________
Проверил(а): ____________________
Фото: NASA / DSN-43. Схемы и иллюстрации — учебные.

2.

ПЛАН ПРОЕКТА
Четыре вопроса — одна антенная система
Структура выстроена по плану преподавателя из приложенного задания.
01
Виды и принцип действия
02
Как форма параболоида превращает сферическую волну в
плоскую.
03
Облучатель и его выбор
Тип первичного источника, поляризация и геометрия
зеркала.
Поле в раскрыве
Амплитуда, фаза, равномерность и коэффициент
использования поверхности.
04
ДН и положение облучателя
Как ширина ДН и дефокусировка меняют усиление и
боковые лепестки.
ГЕОМЕТРИЯ → РАСКРЫВ → ОБЛУЧАТЕЛЬ → НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА
ПЛАН ПРОЕКТА
02

3.

ЗАЧЕМ НУЖНО ЗЕРКАЛО?
Высокое усиление там, где важны дальность и точность
Размер раскрыва относительно длины волны определяет направленность системы.
Спутниковая и
космическая связь
Спутниковый приём
Радиолокация
Радиорелейные линии
Большая апертура собирает
слабый сигнал.
Компактное офсетное зеркало —
бытовой пример.
Узкий луч помогает обнаруживать
и сопровождать цели.
Точечный радиоканал соединяет
удалённые узлы.
G ≈ ηₐₚ (πD / λ)²
При неизменной длине волны рост диаметра D резко увеличивает усиление.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Ключевой эффект
Узкий главный лепесток • высокая чувствительность
малый перехват помех
Фото: NASA; Wikimedia Commons; ИИ-иллюстрации радиолокации и связи
03

4.

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Равные пути от фокуса — одинаковая фаза в апертуре
Отражение на параболоиде преобразует сферический фронт в почти плоский.
ПРИНЦИП ФЕРМА
r = 2f / (1 + cos θ)
Уравнение параболоида в фокусной сферической системе.
r + r cos θ = 2f = const
Оптический путь от F до плоскости раскрыва одинаков для всех лучей.
ИТОГ
В раскрыве формируется синфазное поле.
Именно оно создаёт узконаправленный луч
вдоль оси.
ВИДЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Основа: приложенный проект, раздел 1.1
04

5.

1. ГЕОМЕТРИЯ
Три параметра задают характер зеркала
D — диаметр, f — фокусное расстояние, F/D — относительная глубина.
ПРЯМОФОКУСНАЯ СХЕМА
F / D — относительное фокусное расстояние
Меньшее F/D означает более глубокую чашу.
θ₀ = 2 arctan(D / 4f)
Угол, под которым облучатель «видит» край зеркала.
ВИДЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Фото: иллюстративное; геометрия — по приложенному проекту
05

6.

1. ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
Три формы — три характерных компромисса
Выбор определяется требуемой диаграммой, затенением и способом монтажа облучателя.
Прямофокусная
Офсетная
Параболический цилиндр
Облучатель в фокусе F.
Простая осесимметричная схема; есть
затенение центром и стойками.
Вырезка вне оси параболоида.
Раскрыв не затеняется; удобна для бытового
и радиорелейного применения.
Фокус — линия, облучатель линейный.
Формирует веерную ДН: узкую в одной
плоскости, широкую в другой.
ВИДЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Фото: авторская иллюстрация; Wikimedia Commons
06

7.

1. СРАВНЕНИЕ СХЕМ
Прямофокусная или офсетная?
Главное различие — затеняет ли первичный источник рабочую апертуру.
ПРЯМОФОКУСНАЯ
ОФСЕТНАЯ
Плюс
Плюс
Простая юстировка и симметрия.
Минус: облучатель и стойки закрывают часть раскрыва.
Свободный раскрыв, ниже затенение и обычно ниже боковые
лепестки.
Установка почти вертикальна.
ВИДЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Фото: генеративная иллюстрация; Wikimedia Commons
07

8.

1. ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Кассегрен и Грегори складывают ход лучей
Облучатель можно перенести к вершине главного зеркала — короче фидер и удобнее доступ к аппаратуре.
Кассегрен
Вторичное зеркало — гиперболоид.
Фазовый центр облучателя размещают позади главного
зеркала.
Грегори
ВИДЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Контррефлектор — эллипсоид; свойства зависят от
конкретной геометрии.
Фото: NASA / DSN-43; схемы — авторские
08

9.

2. ПОЛЕ В РАСКРЫВЕ
Раскрыв — источник диаграммы дальнего поля
Апертура — плоская область, ограниченная кромкой зеркала; для круглой антенны Sₐ = πD²/4.
Освещение сильнее
в центре, слабее у края
Eₐ(ρ, φ) — комплексное поле по
раскрыву: амплитуда × фаза.
E(θ, φ) ∝ ∬ₛₐ Eₐ(ρ, φ′) eʲᵏˣ dS
x = ρ sin θ cos(φ′ − φ); это 2D-преобразование Фурье.
ρ = 2f tan(θ / 2)
АПЕРТУРНЫЙ МЕТОД
В дальней зоне поле
определяется интегральным
преобразованием Фурье от
распределения Eₐ.
Связь радиуса точки раскрыва с направлением луча на зеркало.
Что будет дальше?
Сначала анализируем амплитудную подсветку,
затем фазовые ошибки и потери КИП.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ
Формулы: приложенный проект, раздел 2
09

10.

2. АМПЛИТУДА
Края должны быть подсвечены — но не слишком сильно
Поле в раскрыве задаётся ДН облучателя и сферическим расхождением волны от фокуса.
Eₐ(ρ) = Eₘₐₓ [1 − (1 − Δ)(ρ / R)²]
Δ = Eₐ(R) / Eₐ(0) — уровень поля на кромке относительно центра.
Уровень края
−10…−12 dB
Это соответствует амплитуде поля около 0,25–0,32 от
центральной. При таком спаде обычно удаётся
совместить эффективность и низкие боковые лепестки.
Кромка слишком яркая → переливание энергии | слишком тёмная → теряется
эффективная площадь
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ
График — иллюстративная аппроксимация по проекту
10

11.

2. ФАЗА И ТОЧНОСТЬ
Идеальный раскрыв — синфазный
Ошибки профиля зеркала и смещение фазового центра нарушают равенство оптических путей.
Φ(ρ) = const
Условие для идеальной параболической антенны.
ΔΦ ≈ (4π / λ) · Δz · cos(θ / 2)
Локальная ошибка фазы при отклонении поверхности на Δz.
ηφ = |⟨eʲΔΦ⟩|²
Фазовая составляющая КИП падает при разбросе фаз.
Больше Δz / λ → шире главный лепесток → растут боковые лепестки → падают КНД и усиление
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ
Формула фазы профиля — по приложенному проекту
11

12.

2. КИП РАСКРЫВА
Эффективность — произведение нескольких потерь
Коэффициент использования поверхности ηₐₚ показывает, какая доля геометрической площади работает эффективно.
ηₐₚ = ηA · ηпер · ηφ · ηзат
Амплитуда × перехват мощности × фаза × затенение.
ηA
Амплитудное
распределение
Неравномерная подсветка
апертуры.
ηφ
Фазовые ошибки
Дефокусировка и неточность
поверхности.
ηпер
Переливание
Мощность облучателя мимо
зеркала.
ηзат
Затенение
Облучатель, опоры и вторичное
зеркало.
Обычно для реальных однозеркальных систем
ηₐₚ ≈ 0,60–0,75
Идеальный предел для равномерного синфазного раскрыва выше, но практически
недостижим.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ
Источник: приложенный проект, раздел 2.4
12

13.

3. ПЕРВИЧНЫЕ ОБЛУЧАТЕЛИ
Облучатель — не «мелкая деталь», а часть системы
Он задаёт распределение поля на зеркале, фазовый центр и поляризационные свойства.
ТРЕБОВАНИЯ К ОБЛУЧАТЕЛЮ
ГОФРИРОВАННЫЙ РУПОР
Фазовый центр совпадает с геометрическим фокусом.
ДН покрывает кромку без чрезмерного переливания.
Похожие диаграммы в E- и H-плоскостях.
Низкая кросс-поляризация и хорошее согласование.
Преимущества
Минимальное затенение раскрыва и опор.
Симметричная ДН в E/H-плоскостях · низкая кроссполяризация · стабильный фазовый центр
Другие типы: пирамидальный рупор · открытый волновод · вибратор с
контррефлектором · микрополосковый элемент
ОБЛУЧАТЕЛИ И ИХ ВЫБОР
Фото: AI-иллюстрация; типы — по приложенному проекту
13

14.

3. ВЫБОР ОБЛУЧАТЕЛЯ
Сначала оценить угол раскрыва, затем выбирать ДН
Геометрия задаёт, насколько широко облучатель должен «видеть» зеркало.
θ₀ = 2 arctan(D / 4f)
Угол от фазового центра к краю параболоида в обозначениях проекта.
F/D > 0,5
Длиннофокусное
Более узкая ДН; рупор с большей апертурой.
F/D < 0,35
Двойная
поляризация
ОБЛУЧАТЕЛИ И ИХ ВЫБОР
Короткофокусное
Более широкая ДН; компактный рупор или
вибраторно-зеркальная схема.
Проверить в ТЗ
Поляризационные требования
рабочую полосу частот • поляризацию • допустимый
уровень боковых лепестков • точность юстировки
Гофрированный рупор: высокая симметрия E/H и
хорошая развязка.
Критерии: приложенный проект, раздел 3.3
14

15.

4. ВЛИЯНИЕ ДН ОБЛУЧАТЕЛЯ
Слишком широкая и слишком узкая ДН одинаково вредны
Оптимум зависит от геометрии; ориентир для уровня поля на кромке — −10…−12 dB.
ШИРОКАЯ
Край светлый, но часть мощности уходит
мимо зеркала: spillover.
НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА
ОПТИМАЛЬНА Компромисс: высокий КИП и приемлемый
уровень боковых лепестков.
Я
УЗКАЯ
Край «темнеет»; эффективная площадь
уменьшается, главный луч шире.
Кривые — иллюстративные; ориентир по проекту: −10…−12 dB
15

16.

4. ДЕФОКУСИРОВКА
Смещение облучателя меняет фазу и форму ДН
Две степени свободы дают разные ошибки: продольная — квадратичную, поперечная — сканирование и кому.
ΔΦ(ρ) ≈ π Δz ρ² / (λ f²)
Продольный сдвиг: квадратичная ошибка фазы.
θскан ≈ μ arctan(Δx / f)
Поперечный сдвиг: μ ≈ 0,8…0,9.
ПОСЛЕДСТВИЯ
расширение главного лепестка;
рост и асимметрия боковых лепестков;
заплывание нулей и падение КНД.
НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА
Знак фазовой ошибки зависит от направления смещения
16

17.

4. ТОЧНОСТЬ ЮСТИРОВКИ
На сантиметровых волнах допустимые сдвиги — миллиметры
Оценки из исходного проекта; окончательные допуски уточняют по рабочей модели и требуемому уровню фазовой ошибки.
|Δz| ≤ λ / [8 sin²(θ₀ / 2)]
|Δx| ≤ λ / [16 sin θ₀]
Продольное смещение вдоль фокальной оси.
Поперечное смещение фазового центра.
ПРИМЕР: 12 ГГц, θ₀ = 64°
λ ≈ 25 мм
|Δz| ≲ 11 мм
|Δx| ≲ 1,7 мм
Проверить: жёсткость креплений · температурную деформацию · точность поверхности · фазовый центр реального облучателя
θ₀ = 2 arctan(D / 4f); значения округлены.
НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА
Оценки допусков — из приложенного проекта, раздел 4.3
17

18.

ПРИМЕР РАСЧЁТА
Что даст зеркало D = 1,2 м на частоте 12 ГГц?
Иллюстративная оценка для ηₐₚ = 0,65 и f/D = 0,40.
λ
2,5 см
f
0,48 м
Sₐ
1,13 м²
Aₑ
0,735 м²
РАДИОРЕЛЕЙНЫЙ КАНАЛ
G ≈ ηₐₚ (πD / λ)²
≈ 1,48 × 10⁴ → 41,7 dBi
Ширина луча ≈ 70 λ / D ≈ 1,46°
Оценки справедливы для апертурного приближения; реальный результат зависит от облучателя, поверхности и потерь.
ПРИМЕР РАСЧЁТА
Числа рассчитаны по формулам апертурной антенны
18

19.

ВЫВОДЫ
Что определяет результат параболической антенны?
Ключевые выводы по четырём разделам проекта.
01
Форма
02
Параболоид делает оптические пути равными и синфазно
возбуждает раскрыв.
03
Облучатель
Его ДН должна соответствовать F/D, а фазовый центр —
совпадать с фокусом.
Подсветка
Оптимальный спад поля к краю — ориентировочно
−10…−12 dB.
04
Юстировка
Дефокусировка и ошибки поверхности снижают КИП,
усиливают боковые лепестки.
Высокое усиление — это не только большой D: важны амплитуда, фаза, облучатель и точная настройка.
ИТОГИ
19

20.

ИСТОЧНИКИ
Литература проекта и визуальные материалы
Теоретические положения и основные формулы взяты из приложенного проекта; изображения указаны для учебного использования.
ЛИТЕРАТУРА ИЗ МАТЕРИАЛОВ ПРОЕКТА
ФОТОГРАФИИ И ГРАФИКА
1. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. — М.: Советское радио, 1974.
2. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов / под ред. Г.А.
Ерохина. — 2004.
NASA / DSN-43: science.nasa.gov/photojournal/a-big-crane-for-a-bigdish
Wikimedia Commons: категории Parabolic antennas и Satellite dishes
in the Philippines.
3. Сазонов Д.М. Устройства СВЧ и антенны. — М.: Госэнергоиздат, 1986.
4. Рубцов А.В., Львова И.А., Кулакова М.В., Аронов Л.В. Антенны и устройства СВЧ: метод. указания к
лабораторным работам. — Рязань: РГРТУ, 2016.
5. Львова И.А. Устройства СВЧ и антенны: метод. указания к курсовой работе. — Рязань: РГРТУ, 2016.
Electronics Notes и J.A.K. Electronics: пояснительные материалы по
фидерным системам и бытовым отражателям.
Схемы раскрыва и оптики — созданы для этой презентации по
приложенному проекту.
Фотоподобные иллюстрации (облучатель, прямофокусная,
радиолокационная и радиорелейная антенны) сгенерированы ИИ.
Презентация подготовлена на основе приложенного PDF и фото-плана преподавателя.
ИСТОЧНИКИ
20